下岸水库拱坝的体型及结构设计

图1 拱坝鸟瞰效果 下岸水库拱坝的体型及结构设计

马以超、尉高洋、顾锡春、陈舟、金文志

【摘要】 下岸水库拱坝是一座建于较宽河谷的拱坝，其体型设计过程中采用了优化技术。下岸水库大坝兼有挡水、泄洪、放水等功能，其结构设计具有一定的代表性。 【关键词】 拱坝 体型设计 结构设计

1. 工程概况

下岸拱坝位于浙江省仙居县境内的灵江流域永安溪干流上，枢纽工程属二等工程，以防洪、灌溉(供水)为主，结合发电等综合效益。坝址以上流域面积257km 2，总库容13504万m 3，灌溉(供水)库容8391万m 3，防洪库容3574万m 3。正常水位208m ，相应库容10629万m 3。设计灌溉面积10.03万亩；防洪6.8万亩，保护人口8.4万人；电站装机2×8MW ，多年平均年发电量3313万kW ·h 。

坝址河谷底宽70~115m ，山坡坡度38~40°，两岸基本对称，坝基岩性为熔结凝灰岩，坝区地震基本烈度小于6度。混凝土拱坝为抛物线型双曲变厚拱坝，最大坝高

64m ，大坝混凝土工程量约12.38万m 3。

2. 体型设计 2.1 线型选择

下岸拱坝拱圈线型选择抛物线。抛物线型中部拱度较大，对应力条件有利，两岸较平直，对坝肩稳定有利。抛物线型在国内成功应用的实例较多，经验也比较丰富。

2.2 体型优化思路

下岸拱坝河谷底宽较大，宽高比达 3.6，相对同等坝高较窄河谷的建坝条件，工程量要大一些，故经济性指标(坝体方量)的优化显得很有必要，另一方面，优化中结合稳定、施工等条件，以得出较优的方案。在优化中除遵循一般拱坝优化原则，特别注意以下三方面因素的控制：

1） 控制底宽

对于下岸较宽河谷条件，梁的作用相对强一些，故在优化中易出现“扫帚形”，底宽可能较大，容易引起体型的高敏感性。所以适当增加中上部刚度，或者稍微增加中心角，增大两岸侧曲率，拱的作用得到增强，梁的作用相对降低，可使底宽减少成为可能。另一方面，适当减少底宽同时减少了开挖和下部混凝土工程量，这对合理安排施工计划和设计坝体渡汛方案是有利的。

下岸拱坝的体型在初设阶段底拱厚度为19.68~21.42m ，拱冠梁厚高比0.308；施工图阶段经过优化最后实施的体型底拱厚度为17.45~17.93m ，拱冠梁厚高比0.273。其底宽之所以可以减少，是因为增加了中上部拱圈刚度及中心角。参见表1。

2） 控制中心角

在优化中，中心角越大对坝体应力有利，拱的作用越强，但是另一方面对坝肩稳定不利；而中心角减少虽然可改善稳定，但由于拱的作用削弱，使梁的作用加强，对于下岸较宽河谷的情况，易出现“扫帚形”。所以中心角的控制应综合考虑应力及稳定条件，在满足稳定条件的前提下，总体中上部中心角应比下部大，因为对大坝而言，中上部以拱作用为主，故中心角大一些，接近底部以梁作用为主，故中心角小一些。

对于下岸建坝条件，由于河谷较宽，坝肩推力水平较一般窄河谷要大许多，所以稳定条件的前提更应引起重视。在施工图阶段，最后实施的拱坝体型各层中心角及用平面法计算的坝肩稳定安全系数参见表1。

注：工况一指正常水位+温降工况，属基本荷载组合，允许安全系数3.25，工况三指校核水位+温升工况，属特殊荷载组合，允许安全系数2.75。

3） 工程量与安全度 下岸水库库容较大，工程重要性强，故大坝安全度也是需考虑的重要因素，并非坝体工程量越小越好。故在优化中如何把握好尺度也是需考虑的重要问题。解决这个问题，多目标优化方法可能是一个趋势，即优化目标并非单一经济性目标(坝体方量)，可以将坝体应力水平(如强度失效率)等目标引入，分配权重，再进行优化以得出合理的方案。但是多目标优化方法目前尚不成熟，离应用尚有距离。

在下岸大坝的优化过程则以柔度系数C 作为辅助评估安全度的参数。

柔度系数：H

V A C ⋅=2

式中: C ─── 柔度系数；

A ─── 坝体中面展开面积； V ─── 坝体方量； H ─── 最大坝高。

在合理体型的前提下，C 越大往往越经济，另一方面安全度也越小。柔度系数过高的拱坝往往应力水平高、强度失效概率高、敏感性也较高，易开裂。虽然目前业界对于柔度系数还有很多争论，也很难用统一的C 值来界定所有工程，但是有两点是可以肯定的：一是河谷越宽（体现在宽高比越大或底宽越大）往往C 值越小；二是坝越高C 值越小，这两者虽然是统计规律，但其实都在不同程度上反映了水推力的水平。根据目前的工程经验，就中低拱坝并一般河形状河谷而言，柔度系数一般在16~20。

对于下岸拱坝，最大坝高为64m ，坝虽然不高，但河谷较宽，宽高比达3.6，水推力水平较高，故柔度系数不宜太大。我们分析了同类高度等级及类似建坝条件的一些工程实例，认为对于下岸建坝条件柔度系数不超过17是可接受的。

2.3 选定体型

经过优化计算并综合考虑各方面因素，最终选定的体型主要参数如下表：

图2下岸拱坝平面图、中面立视图、梁图

2.4 应力分析

2.4.1 计算方法

大坝应力计算采用试载法，7拱15梁全调整法分析(河床中设三根梁)。计算分析三种工况：工况一(基本组合)：正常水位＋泥沙＋自重＋温降；

工况二(基本组合)：死水位＋泥沙＋自重＋温升；

工况三(特殊组合)：校核水位＋泥沙＋自重＋温升；

计算程序采用浙江大学ADAO程序。

2.4.2 坝面最大主应力

表3 拱坝坝面最大应力表

工况上游坝面(MPa) 下游坝面(MPa)

最大主拉部位最大主压部位最大主拉部位最大主压部位封拱前0.06 3R –2C 1.51 8R –1C 0.00 0R 0C 1.08 5R –2C

一 1.19 8R 0C 1.58 3R 0C 0.64 7R 0C 3.13 8R 0C

二0.70 7R 0C 3.16 1R –7C 1.15 8R 0C 2.78 1R –7C

三 1.09 6R 3C 3.03 1R –6C 0.14 2R 2C 3.57 4R 0C

注：表中如[3R -2C]表示自上而下第3条拱从拱冠梁向左岸数第2条梁处；表中如[8R 0C]表示拱冠梁底。

2.4.3 坝面应力分布

图3 工况一上游面第一主应力分布(单位：MPa)